染色質(zhì)和DNA的修飾

1、染色質(zhì)和DNA的修飾摘要：染色質(zhì)是核內(nèi)能被堿性染料染色的物質(zhì)，有常染色質(zhì)和異染色質(zhì)之分，其主要成分是組蛋白和DNA,染色質(zhì)的修飾主要指組蛋白和DNA的修飾。組蛋白的修飾有甲基化，乙?；?，磷酸化，泛素化等。組蛋白的這些修飾共同組成組蛋白密碼。DNA的修飾主要包括甲基化和磷酸化。這些修飾共同調(diào)控著基因表達(dá)和生物個體的發(fā)育。在染色質(zhì)整體水平上會導(dǎo)致染色質(zhì)重構(gòu)。關(guān)鍵字：染色質(zhì)、組蛋白、DNA、修飾、組蛋白密碼、基因表達(dá)、染色質(zhì)重構(gòu)。1染色質(zhì)染色質(zhì)最早是1879年Flemming提出的用以描述核中染色后強烈著色的物質(zhì)?，F(xiàn)在認(rèn)為染色質(zhì)是細(xì)胞間期細(xì)胞核內(nèi)能被堿性染料染色的物質(zhì)。染色質(zhì)的基本化學(xué)成分為脫氧核糖

2、核酸核蛋白，它是由DNA、組蛋白、非組蛋白和少量RNA組成的復(fù)合物。根據(jù)著色的深淺染色質(zhì)有常染色質(zhì)和異染色質(zhì)之分。常染色質(zhì)一般位于核的中央，基因表達(dá)活躍的區(qū)域，染色體結(jié)構(gòu)較為疏松。異染色質(zhì)一般位于核的邊緣，是基因表達(dá)沉默的區(qū)域，染色體結(jié)構(gòu)致密。染色質(zhì)化學(xué)修飾的類型染色質(zhì)化學(xué)修飾是指對染色質(zhì)的組成成分，如DNA、RNA、組蛋白、非組蛋白進(jìn)行化學(xué)基團(tuán)的添加或去除的反應(yīng)過程。常見的染色質(zhì)化學(xué)修飾方式有：甲基化-去甲基化，乙?；?去乙酰，磷酸化去磷酸。除此之外，還包括泛素化ADP-核糖基化和二硫鍵形成等修飾方式。染色質(zhì)中的組蛋白和DNA成分是最主要的化學(xué)修飾底物。目前，已在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一系列的染色質(zhì)修

3、飾酶類，這些酶不僅具有高度的位點特異性，而且對底物原有的修飾狀態(tài)也有選擇性。組蛋白的化學(xué)修飾位點通常位于其N-端或C-端尾區(qū)，極少數(shù)情況下（如H3-K79）位于內(nèi)部；有些位點可發(fā)生雙修飾反應(yīng)；相鄰位點的磷酸化修飾與甲基化修飾可能相互干擾。染色質(zhì)中的組蛋白和DNA成分是最主要的化學(xué)修飾底物。2組蛋白修飾組蛋白有五種類型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4。富含帶正電荷的堿性氨基酸（Arg和Lys）, 能夠同DNA中帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)相互作用。 是一類小分子堿性蛋白質(zhì)。并且組蛋白是已知蛋白質(zhì)中最保守的蛋白質(zhì)。組蛋白化學(xué)修飾發(fā)生在組蛋白N端尾部，尤其是組蛋白H3和H4的修飾起始了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變

4、化。組蛋白尾部由20個氨基酸組成，并且從DNA轉(zhuǎn)彎處的核小體間延伸出來。2.1組蛋白的甲基化組蛋白甲基化是由組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶(histonemethyl transferase，HMT)完成的。甲基化可發(fā)生在組蛋白的賴氨酸和精氨酸殘基上，而且賴氨酸殘基能夠發(fā)生單、雙、三甲基化，而精氨酸殘基能夠單、雙甲基化，這些不同程度的甲基化極大地增加了組蛋白修飾和調(diào)節(jié)基因表達(dá)的復(fù)雜性。甲基化的作用位點在賴氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)的側(cè)鏈N原子上。組蛋白甲基化對基因表達(dá)有一定的影響：研究表明：組蛋白精氨酸甲基化是一種相對動態(tài)的標(biāo)記，精氨酸甲基化與基因激活相關(guān)，而H3和H4精氨酸的甲基化丟失與基因沉默相

5、關(guān)。相反，賴氨酸甲基化似乎是基因表達(dá)調(diào)控中一種較為穩(wěn)定的標(biāo)記。如：與基因激活相關(guān)的賴氨酸殘基甲基化：H3第4位、第36位、第79位。而與基因沉默相關(guān)的賴氨酸殘基甲基化：H3第9位、第27位以及H4的第20位。但應(yīng)當(dāng)注意的是，甲基化個數(shù)與基因沉默和激活的程度相關(guān)。2.2組蛋白的乙?；M蛋白乙酰化主要發(fā)生在H3、H4的N端比較保守的賴氨酸位置上，是由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去乙酰化酶協(xié)調(diào)進(jìn)行。組蛋白乙酰化呈多樣性，核小體上有多個位點可提供乙酰化位點，但特定基因部位的組蛋白乙酰化和去乙?；且砸环N非隨機的、位置特異的方式進(jìn)行。一般在兩種情況下發(fā)生：一種是在DNA復(fù)制過程中短暫發(fā)生、另一種在激活基因表

6、達(dá)時。乙?；瘜虮磉_(dá)和染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)都有影響，乙?；赡芡ㄟ^中和賴氨酸以及精氨酸的正電荷來增加與DNA的排斥力，以及通過相互作用蛋白的影響，來調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。早期對染色質(zhì)及其特征性組分進(jìn)行歸類劃分時就有人總結(jié)指出：異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域組蛋白呈低乙?；?，常染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域組蛋白呈高乙酰化。最近有研究發(fā)現(xiàn)，某些HAT復(fù)合物含有一些常見的轉(zhuǎn)錄因子，某些HDAC復(fù)合物含有已被證實的阻遏蛋白。這些發(fā)現(xiàn)支持了高乙酰化與激活基因表達(dá)、低乙?；c抑制基因表達(dá)有關(guān)的看法。2.3組蛋白的其它修飾方式相對而言，組蛋白的甲基化修飾方式是最穩(wěn)定的，所以最適合作為穩(wěn)定的表觀遺傳信息。而乙?；揎椌哂休^高的動態(tài)，另外還有其他不穩(wěn)定的修

7、飾方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等等。這些修飾更為靈活的影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，通過多種修飾方式的組合發(fā)揮其調(diào)控功能。所以有人稱這些能被專識別的修飾信息為組蛋白密碼。這些組蛋白密碼組合變化非常多，因此組蛋白共價修飾可能是更為精細(xì)的基因表達(dá)方式。另外，研究發(fā)現(xiàn)H2B的泛素化可以影響H3K4和H3K79的甲基化，這也提示了各種修飾間也存在著相互的關(guān)系。3 DNA修飾DNA是一種分子，可組成遺傳指令，以引導(dǎo)生物發(fā)育與生命機能運作。帶有遺傳信息的DNA片段稱為基因。DNA的修飾有好幾種類型，其修飾對基因表達(dá)有著重要的影響。3.1DNA甲基化DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的修飾途徑之一，這一修

8、飾途徑可能存在于所有高等生物中并與基因表達(dá)密切相關(guān)。是指在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用下，在基因組CpG島的CpG二核苷酸的胞嘧啶5碳位共價鍵結(jié)合一個甲基基團(tuán)。此過程用到的酶是甲基化酶和去甲基化酶。其中甲基化酶有兩種形式，維持性甲基化轉(zhuǎn)移酶和從頭合成型甲基化轉(zhuǎn)移酶。DNA甲基化存在一些特殊的分布，染色體水平上，DNA甲基化在著絲粒附近水平最高；基因水平上，DNA甲基化高水平區(qū)域涵蓋了多數(shù)轉(zhuǎn)座子，假基因和小RNA編碼區(qū)。最新的研究發(fā)現(xiàn)，甲基化似乎對長度較短的基因有較強的轉(zhuǎn)錄調(diào)控能力，而對長基因的調(diào)控能力十分微弱。DNA甲基化是可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂能在細(xì)胞或個體世代間遺傳，現(xiàn)在稱

9、之為表觀遺傳學(xué)；是基因表達(dá)的改變，沒有DNA序列的變化，或不能用DNA序列變化來解釋。在DNA去甲基化酶的作用下可以去甲基化，即具有可逆性。3.2 DNA甲基化的作用原核生物中，DNA甲基化是為了抵抗噬菌體侵害而發(fā)生堿基C和A上的化學(xué)修飾 。如大腸桿菌的限制修飾系統(tǒng)中，自身DNA特定位點的甲基化可以避免限制性內(nèi)切酶的切割。真核生物中，甲基化被分為對稱性甲基化，包括CpG和CpNpG，以及非對稱甲基化，包括CpHpH。多數(shù)細(xì)胞 5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG中。DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、組蛋白修飾及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達(dá)。DNA甲基化為正常發(fā)育所必需。

10、正常細(xì)胞中DNA甲基化的功能包括轉(zhuǎn)座因子的沉默、病毒序列的失活、染色體完整性的維持、X染色體失活、基因組印記及大量基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)等。一些研究還發(fā)現(xiàn)隨著個體年齡的不同，DNA甲基化水平存在差異，提示個體的發(fā)育和衰老過程與DNA甲基化相關(guān)。大量研究表明，DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)。DNA甲基化能引起染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性以及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達(dá)。研究證實，CpG二核苷酸的胞嘧啶的甲基化導(dǎo)致了人體三分之一以上剪輯轉(zhuǎn)換而引起的遺傳病。實驗證明，甲基化這個過程不但與DNA的復(fù)制起始及錯誤修正時的定位有關(guān)，還可以通過

11、基因的表達(dá)參與細(xì)胞生長，發(fā)育過程及染色印跡，X染色體失活等的調(diào)控。3.3兩類新的堿基DNA堿基組成是各種生物一個穩(wěn)定的特征，這種組成不受年(菌)齡以及突變因素以外的外界條件的影響，即使個別基因突變，堿基組成也不會發(fā)生明顯變化。一般認(rèn)為DNA分子含有四種堿基：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。近幾年，有人將表觀遺傳學(xué)修飾5-甲基胞嘧啶稱為第5種堿基，5-羥甲基胞嘧啶（5-hmC）稱為第6種堿基。研究人員在人體胚胎干細(xì)胞和實驗老鼠器官染色體組中發(fā)現(xiàn)了兩種新型的DNA堿基：5fC（5-甲酰胞嘧啶）和5caC（5-羧基胞嘧啶），改變了原有認(rèn)為DNA堿基只有4種（近期增加至6種）

12、的觀點，這對于干細(xì)胞和癌癥的研究具有重要意義。這兩種堿基實際上都是由胞嘧啶經(jīng)Tet蛋白修飾后形成。這兩種新堿基代表了DNA脫甲基過程中的一個中間狀態(tài)。通過去甲基化或重新激活DNA甲基化所沉默的腫瘤抑制基因，它們可能為干細(xì)胞重新編程和癌癥研究提供非常重要的信息。這一成果也說明科學(xué)家們可以利用DNA甲基化，重新激活已被沉默的腫瘤抑制基因。3.4 DNA其他形式的修飾DNA除了甲基化也可以進(jìn)行乙?；u甲基化，甲基化和乙酰化都是對DNA分子的組成元件堿基的修飾。除此之外還有在基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程中，對內(nèi)含子的剪切以及外顯子的連接，基因復(fù)制過程中加入了一些稀有堿基等都可以稱為是對基因的修飾。4染色體的重

13、構(gòu)在整體水平上，染色體的這些修飾可能導(dǎo)致染色體的重構(gòu)，即染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化，主要涉及核小體的置換或重新排列，改變了核小體在基因啟動序列區(qū)域的排列，增加了基因轉(zhuǎn)錄裝置和啟動序列的可接近性。染色質(zhì)重塑與組蛋白 N 端尾巴修飾密切相關(guān)，尤其是對組蛋白 H3 和 H4的修飾 ，通過修飾直接影響核小體的結(jié)構(gòu)，并為其他蛋白質(zhì)提供了與DNA作用的結(jié)合位點。染色質(zhì)重塑修飾方式主要包括兩種：一種是含有組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和脫乙酰酶的化學(xué)修飾；另一種是依賴ATP水解釋放能量解開組蛋白與 DNA 的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄得以進(jìn)行。染色質(zhì)重構(gòu)（chromatin remodelling）和基因轉(zhuǎn)錄之間的關(guān)系是非常復(fù)雜的。盡管現(xiàn)

14、在已經(jīng)確定了許多ATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)蛋白質(zhì)，但它們在基因轉(zhuǎn)錄活動中的功能還不清楚。參考文獻(xiàn)1 成龍,廖愛軍. 組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶研究進(jìn)展J. 腫瘤基礎(chǔ)與臨床. 2008(05)2 王偉,李兆申,滿曉華,高軍,龔燕芳. DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1和組蛋白脫乙?；?在胰腺組織中的表達(dá)及其臨床意義J. 胃腸病學(xué). 2008(09)3 阮建彬,臧建業(yè). 組蛋白去甲基化酶LSD1的結(jié)構(gòu)和功能研究進(jìn)展6 鄭杰. 組蛋白賴氨酸甲基化修飾與腫瘤J. 生命科學(xué). 2008(03)4 廖丹,石巍. 組蛋白甲基化與乙?；难芯窟M(jìn)展J. 現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展. 2008(05)5 夏晗,劉美芹,尹偉倫,盧存福,夏新莉. 植物D

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